Моделирование Солнечной системы раскрывает загадки планет

Когда мы смотрим на Солнечную систему, что мы можем сказать о том, как она образовалась? Мы видим обломки процесса формирования в астероидах, кометах и других малых тел, которые скапливаются на окраинах нашей системы (а иногда и пролетают рядом

Когда мы смотрим на Солнечную систему, что мы можем сказать о том, как она образовалась? Мы видим обломки процесса формирования в астероидах, кометах и других малых тел, которые скапливаются на окраинах нашей системы (а иногда и пролетают рядом с Землей).

Являются ли орбиты и размеры планет естественным побочным продуктом формирования или же есть какие-нибудь особенности, которые родились в процессе редких событий? Ученые хотят ответить на эти вопросы, чтобы лучше понять, как сформировалась Земля, и как это повлияет на землеподобные планеты вокруг других звезд.

К примеру, новое моделирование показало, что Марс — редкая планета. Она может появиться, но при особых обстоятельствах, если параметры моделирования были верны. Правильны ли такие допущения или же нужно провести еще исследования?

Поиск ответов на эти вопросы помогает нам понять, откуда взялся не только Марс, но и наша собственная планета. Для астробиологов Красная планета представляет особый интерес, поскольку имеет многочисленные свидетельства наличия воды в прошлом.

Результаты марсоходов «Оппортьюнити», «Спирит» и «Кьюриосити» на поверхности Марса показали, что на планете имеются минералы, которые образуются в присутствии воды, например, минерализованный оксид железа, известный как гематит.

«Образование Марса — старая загадка. Большинство предыдущих исследований, подобных этому, не могли воспроизвести объект с массой Марса, — говорит Ребекка Фишер, докторант геофизических наук в Университете Чикаго, ведущая исследования. — Можно воспроизвести Марс, но это удается только в 5% случаев. Если вы проведете только четыре моделирования, вы не увидите его образования».

Работа Фишер под названием «Динамика планет земной группы в многочисленных моделированиях N-тел» появилась в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Юпитер и Сатурн образовались первыми

Фишер, геолог по образованию, интересуется тем, как образовалась Земля. Как и другие планеты в Солнечной системе, Земля возникла из облака газа и пыли около 5 миллиардов лет назад. Со временем это облако объединилось в обломки. Обломки столкнулись и объединились, в конечном счете образовав планеты и луны, которые мы видим сегодня.

Прогнозирование того, в каких условиях могли сформироваться восемь планет нашей Солнечной системы, однако, представляет собой огромную проблему. Она требует моделирования столкновений за миллионы лет и принятия во внимание таких вещей, как орбиты газовых гигантов — конечно, Юпитера и Сатурна, — которые влияли на положение планет внутренней Солнечной системы.

Прежние моделирования формирования Солнечной системы были ограничены несколькими подходами. До последней работы, о которой идет речь, общее число моделирований достигало 12 — в 2009 году.

Считается, что Юпитер и Сатурн образовались прежде, чем внутренняя Солнечная система, поскольку у них много газа внутри. По аналогии с юным Солнцем, эти планеты черпали газ, плавающий в непосредственной близости. Газ оставался в Солнечной системе в течение короткого времени, прежде чем радиация Солнца не вытолкнула его из Солнечной системы, а значит, газовые гиганты образовались довольно быстро. Они смогли удержать газ благодаря мощной гравитации.

По этой причине модель начинается с предположения, что Юпитер и Сатурн существовали, когда внутренняя Солнечная система еще пребывала в стадии формирования. Исследователи провели два ряда из 50 моделирований — один с Юпитером и Сатурном с такими же эксцентричными орбитами, как у них сейчас, и один — когда Юпитер и Сатурн обладали более круговыми орбитами.

«Обычно мы формируем от двух до шести планет внутренней Солнечной системы в своих моделированиях, — говорит Фишер. — Мы видим нечто, что похоже на Венеру. С Меркурием сложнее. Мы видим, может быть, один хороший аналог во всех моделированиях. Дело в том, что ни одно моделирование не производит Меркурий, поэтому, вероятнее всего, мы допускаем ошибку еще на стадии теории».

Фишер признает, что результаты могут рассказать ученым, что образование Марса и Меркурия — маловероятные события, возможные, но редкие. Или же моделирование может показать ученым, что допущения, которые они делают относительно Солнечной системы, должны быть пересмотрены. Эти вопросы предстоит решить в будущих исследованиях.

Строительство Земли

Помимо образования планет, ученые также изучали, как присутствие других планет влияло на формирование Земли. К примеру, наша планета включает летучие вещества вроде воды на своей поверхности. Возможно ли, что масса Марса повлияла на количество воды, собранной Землей? Моделирования Фишер показали, что количество воды на Земле, по всей видимости, зависит от Марса.

Что еще заметила Фишер, так это то, что орбиты Юпитера и Сатурна сильно повлияли на количество летучих веществ, доставленных во внутреннюю Солнечную систему, где находится Земля. Вода и некоторые органические вещества произошли из внешней Солнечной системы, возможно, по той же причине, по которой кометы приходят из гипотетического региона под названием Облако Оорта. Этот регион насыщен ледяными объектами, которые находятся от 5000 до 100 000 а. е. от Земли.

Эти ледяные объекты остаются на задворках Солнечной системы, если орбиты газовых гигантов не подталкивают их ближе к Солнцу. Планеты вроде Земли, которая находится в процессе аккреции воды, азота и углерода (всех важных для жизни), скорее всего, во многом зависят от материала, который доставляют газовые гиганты.

Фишер обнаружила, что ранние круговые орбиты юных Юпитера и Сатурна позволили газовым гигантам доставить больше летучих веществ во внутреннюю Солнечную систему, что было бы невозможно при более эксцентричных орбитах сегодняшнего дня.

Модели показали несколько сценариев для орбит Юпитера и Сатурна, пока формировались внутренние планеты. Возможно, их орбиты пересекались, либо подходили и отдалялись от Солнца, но основная причина этого пока не ясна.

Насколько редка наша Солнечная система?

Понимание того, как собралась Солнечная система, имеет важные последствия для жизни за пределами Земли. Если она определенно редкая для образования некоторых планет, значит и жизнь должна быть реже, чем предполагается. Однако пока ученым не удалось повторить модель Солнечной системы.

«Есть масса дискуссий по поводу того, как к этому подходить, смотреть на Солнечную систему как на наиболее вероятный результат или же отталкиваться от условий, которые могли бы произвести Солнечную систему. В настоящее время нет конфигурации, которая производила бы Солнечную систему в большинстве случаев».

В дальнейших исследованиях Фишер будет заниматься изучением того, как формирование Солнечной системы могло повлиять на недра Земли. Для планет, которые собираются в моделировании, она будет рассчитывать распределение входящего материала между корой и мантией Земли, последняя из которых зависит от температуры и давления в ядре Земли.

Эти моделирования помогут точно определить температуру ядра Земли, которая пока неизвестна. Активная поверхность Земли, извержения вулканов и землетрясения иногда приводятся в качестве причины возникновения жизни, поскольку обеспечивают организмы энергией и изменениями.

Хотя присутствие Марса может быть редкостью для нашей Солнечной системы, астробиологи считают это удачей. Исследование Марса помогает понять различные условия, при которых могла бы зародиться жизнь, даже если мы не уверены в том, была ли она когда-либо на Марсе.